如何解决PCB组装中焊接桥连缺陷

如何解决PCB组装中焊接桥连缺陷

印刷线路板组装包含的技术范围很广，从单面通孔插装到复杂的双面回焊组装，以及需要进行选择性波峰焊接的球栅格阵列(BGA)器件等。对这些板子进行波峰焊接时，经常可以看到在某些固定的区域(如连接器等处)会形成桥连，而这些缺陷其实事先就可以预计到。桥连通常是因板子设计的原因或者焊接时使用的托架造成的，要想彻底解决不是很容易，因此只有靠返修来消除缺陷，从而延长了生产周期。
　　在用波峰焊进行线路板组装的过程中，焊接桥连是经常出现的缺陷之一。要解决这一问题，除了改进工艺参数外，还可以在波峰焊设备上加装一种新型的选择性去桥连装置。试验证明，用这种系统能大大减少线路板的桥连。
　　焊接桥连
　　焊接桥连是由于焊料处于一种不稳定的变化状态引起的，它发生在波峰焊接后段的焊料回流区域。板子离开波峰时焊料突然回缩造成焊料回流，回流区里大量熔融的焊料最后就形成桥连。 熔融状态下的焊料遇到任何微小扰动其润湿性都会很容易改变，因此焊料桥连的形成与PCB和波峰焊工艺都有很大的关系。
　　选择性去桥连
　　过了波峰焊之后再去查找桥连然后进行返修将增加生产的成本和工作量，而且人们普遍认为经修补的焊点会降低产品的可靠性。经过多年研究，工程人员开发了很多种在波峰焊接的最后阶段减少桥连的技术，例如焊后对整块板热风刀处理(用一束空气或氮气吹向熔融的焊点以去除桥连)就是一种在波峰焊中应用了多年的标准技术。但是这种方法对焊接区域没有选择性，使好的焊点也受到一定影响。 最近，随着工艺控制与计算机控制的逐渐成熟以及线路板跟踪系统的应用，已经能够开发出实用的选择性去桥连工具加装到波峰焊过程中，这种新技术可挑选易出现焊接缺陷的区域进行去桥连处理，而不会碰到其它好的焊点。
　　选择性去桥连通过调整气流方向，使其只对准桥连可能发生的区域达到去除桥连的目的。该工具用在线路板刚刚退出波峰的地方，此时焊料仍处于熔融状态，喷射范围和其它工艺参数先用程序设定，并由焊接系统里的计算机进行控制。实现选择性去桥连的关键是要准确地调整气流，并使喷嘴在不接触的情况下尽可能地靠近PCB。 在决定使用选择性去桥连系统之前，我们先将它与常规的热风刀技术作一对比。经比较发现，由于种种原因而使得热风刀技术不能够满足我们的要求，如与现有设备不兼容以及整体成本太高等等。 为了进一步确定选择性去桥连系统的效果，我们选用8个试验板进行评估，并参考与线路板设计相关的桥连缺陷历史数据。
　　这些样板的情况如下：
　　样板A和B 尺寸约12.7×7.5cm，双面表面贴装板。两种板均含有过波峰焊后经常会于底部产生桥连的穿孔(PTH)连接器，焊接时不使用选择焊托架而是用可调节托架；除连接器以外，所有底面的表面贴装元件都要经过波峰焊，但只有连接器需要去桥连。
　　样板C和D 尺寸约30×15cm。两种板具有不同的表面贴装元件，但却有相同的PTH元件和多种连接器，桥连随机发生在连接器上及某些表面贴装元件中间。焊接时不使用选择焊托架，而是由传送带上的卡爪传送，去桥连装置不是选择性使用而是对整板进行。
　　样板E和F 尺寸约53.3×12.7cm，双面表面贴装板。两种样板在一个边上都有多个PTH连接器，并使用选择焊托架进行波峰焊接，连接器上有随机性桥连发生。
　　样板G 尺寸约38.1×35.6cm，板上含有需双面回流焊的表面贴装元件和用于PTH元件的选择焊托架。PTH元件中包含多个连接器，位置遍布整个板子，板子可允许有一点点翘曲。由于有选择焊托架，所以去桥连装置无法离板子太近，得不到充分利用。
　　样板H 尺寸约50.8×38.1cm，板子其它情况和样板G完全一样，但是多了一个PGA插座。它也有选择焊托架，而且允许出现翘曲。 试验显示，使用选择性去桥连系统后产品的缺陷大为减少，但是被试验的小尺寸样板却看不出去桥连工具的效果，所以我们又进行了更大范围的内部评估。
　　测试参数：选择性去桥连系统在正式安装前先进行了为期三个月的内部评估，在得到客户同意后，设备供应商将去桥连系统安装在一台波峰焊机上，然后我们对成品率、停机时间、运行成本以及维护等各种数据进行全面评估。
　　如前所述，此次内部试验采用了8种不同的复杂线路板。结果表明，每块板的缺陷率平均改善了84%，选择性去桥连系统的效果主要取决于PCB设计、工艺参数的优化以及所用的工具，不过系统软件也确实能使设置更加系统化并且可重复使用。
　　喷射形状：因为去桥连工具是有选择性地破坏焊接桥连处的润湿性，所以，确定喷射的形状并加以控制是一个应重视的问题。我们用一个专门的测试托架研究喷嘴的喷射形状，将一张感热纸夹在托架和试验PCB之间，测试PCB表面的温度变化情况。在所有热源都不开启的时候，感热纸上记录的图形就是由去桥连装置产生的。我们设计了一个简单的程序来做这个实验。
　　通过观察感热纸上记录下来的图形，可以很容易确定出程序设置的参数与实际喷射位置之间的差异。纸上深色区域表示高热量传导区，颜色深度取决于感热纸的吸热能力。该项测试得到的主要结果有：宽度与程序设定完全一致；在低速传送时长度方向控制得很好；在低速传送时外形轮廓非常清晰：为了改进喷嘴的喷射形状，在最初的测试位置中再加入一个新区域，新增区域的主要作用是改变喷嘴的方向使它喷到不影响焊点的位置。结果发现，加入新的区域后所得到的形状变得更加稳定和清晰。
　　温度参数：如波峰焊操作手册中所述，所有焊接面元件承受的温度都不能高于270℃或温升率大于4℃/秒。为了确保使用去桥连系统后不会对这些限制条件产生影响，我们对一个样板的温度曲线进行了测量。温度曲线显示焊接面元件承受的热应力相对来说比较小，重要的是去桥连装置不会影响所规定的温度限制条件。 但是感热纸也显示出一些热量不均匀的问题，为了更好地了解去桥连装置的热特性，我们在一块PCB样板上放置了6个热电偶探头，希望能测出去桥连系统程序所设定的喷射区域的温度变化。为了模拟去桥连系统的热量变化效果，先编程设定一个7.6×7.6cm的喷射区。 喷射区存在过高的温度梯度会造成喷射区局部出现翘曲。试验发现，1号热电偶和6号热电偶之间测得的温差为12℃，该温差应尽量减小以使基板及元件所承受的应力最小。另外，试验还证实边界部分温度略微偏高，出现热量不均匀主要是因为在喷嘴的起止位置喷射会有重叠。
　　生产数据：对于去桥连系统性能的最终检验要看其在实际生产环境中的效果，希望去桥连系统能够准确地去除波峰焊后线路板上面的桥连。 与以前的工艺相比，选择性去桥连系统确实可以减少桥连。图2是安装选择性去桥连系统之后的缺陷数据统计，从图中可看到，使用选择性去桥连系统后，8个样板中有6个(A～F)桥连减少了80%以上，其中A和B达到100%，C和D则达到95%。
　　造成结果改善主要是由于在焊接面没有表面贴装元件(样板A和B)或只有很少的表面贴装元件(样板C和D)。这种技术在板子过波峰焊时不需要用选择焊托架，请注意样板A、B上的桥连全部消除了，而它们并没有用任何托架。 由于如今线路板采用的技术和设计使得用传统波峰焊托架进行加工越来越困难，所以桥连也越来越多。样板G的桥连减少75%，样板H由于各种原因减少得最少，只有20%多一点。
　　样板H的尺寸为50.8×38.1cm，由于焊接面有很复杂的表面贴装元件，所以需要用选择焊托架，托架上针对需要进行波峰焊的元件设计了开口，但托架的这种设计却使得焊料不能很容易地进入或流出所开的口，因而影响了波峰的运动，造成随机性桥连。 如果用热风刀进行去桥连的范围太小，则发挥选择性去桥连的优势就有一定困难，另外选择焊托架本身的厚度也无法使去桥连装置与线路板的间距达到最佳。
　　成本分析：使用去桥连系统后在线路板修理方面节省了约9.8万美元，此数据是以相同的产量一年花费在桥连检修上的费用估算出来的。根据一年的使用维护估计，它的运行成本约为8,000美元，另外以五年折旧和闲置计算，设备方面的成本约1.2万美元。
　　桥连的减少在某种程度上取决于元件的形状、混装程度、托架类型和波峰焊设备，针对不同的情况，在修理方面节省的估算值会有所不同。